1749

На рис. 2.6 приведены усредненные экспериментальные кривые отрыва пламени от кромок огневых каналов инжекционных однофакельных горелок, работающих в открытой спокойной атмосфере на смеси холодного природного газа с воздухом. На границе и выше указанных кривых начинается отрыв пламени, а ниже кривых идет устойчивое горение.

В практике газоснабжения бытовых и коммунальных потребителей широко распространены различные конструкции многофакельных инжекционных горелок с огневыми каналами диаметром от 2 до 6 мм (рис. 2.7). Установление скоростей отрыва пламени ωотр для этих горелок может производиться также по следующей приближенной формуле

Эта формула показывает, что стабильность горения в отношении отрыва пламен растет с увеличением диаметров огневых каналов и температуры и снижается с увеличением коэффициента избытка первичного воздуха.

Рис. 2.6. Зависимость скорости отрыва пламени одиночного пламени в открытой атмосфере смесей природного газа с воздухом от размера огневого канала и содержания первичного воздуха:

а – схема горелки; б – кривые отрыва пламени

41

приводит либо к погасанию пламени и выходу несгоревшей смеси в помещение или топку, либо горению смеси внутри горелки. Тенденция пламени к проскоку зависит от вида газа, нормальной скорости распространения пламени, содержания первичного воздуха в газовоздушной смеси, размеров огневых каналов, температур смеси или стенок каналов. Влияние на проскок пламени оказывают также коэффициент теплопроводности материалов, из которых выполнены огневые каналы, их форма, глубина и качество изготовления, наличие заусениц, обломов краев и т.п.

Приведенными в табл. 2.14 значениями скоростей гомогенных смесей природных газов с воздухом, при которых происходит проскок пламени внутрь смесителей горелок, можно руководствоваться и для определения приближенных скоростей проскока пламени при использовании других горючих газов при введении в них поправок, соответствующих изменению нормальных скоростей распространения пламени:

где ωʹпр – скорость проскока пламени для другого газа, м/с; ωпр – то же, для природного газа (по табл. 2.14), м/с;

иʹн – нормальная скорость распространения пламени для другого газа, м/с;

ин – то же, для метана, м/с.

Таблица 2 . 1 4

Приближенные значения скорости гомогенной смеси природного газа с воздухом, при которой происходит проскок пламени, м/с (температура смеси 20 °С)

Максимальная скорость проскока соответствует не стехиометрическому соотношению газа и воздуха, а некоторому недостатку последнего, при этом для гомогенной смеси природного газа с воздухом она может быть рассчитана по приближенной формуле

43

Этой формулой с достаточным для практики приближением можно руководствоваться и для других газов с введением поправки на изменение нормальной скорости распространения пламени.

Из рассмотренных данных можно сделать вывод о том, что пределы устойчивости работы горелок ограничиваются скоростями отрыва и проскока пламени.

На рис. 2.8 приведены экспериментальные кривые, характеризующие скорости потока смеси природного газа с воздухом, при которых происходят отрыв и проскок пламени. Характер этих кривых свидетельствует о резком снижении устойчивости пламени по мере увеличения содержания в смеси первичного воздуха. Повышение устойчивости пламени происходит при снижении содержания в смеси первичного воздуха и достигает максимума при его уменьшении до нуля, т.е. при переходе к диффузионному горению. Однако такое сжигание углеводородных газов во многих случаях недопустимо, так как приводит к появлению желтых язычков пламени, характеризующих появление в нем сажистых частиц.

Рис. 2.8. Зависимость скорости газовоздушной смеси, при которой происходит отрыв и проскок пламени, от коэффициента избытка первичного воздуха α1:

I – отрыв пламени; II – проскок пламени; III – желтые края пламени; 1–3 – диаметры огневых каналов горелок, мм: 1–15, 2–25, 3–32

В практике для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей, чем скорость отрыва. Предотвращение отрыва пламени в этих случаях достигается различными искусственными стабилизаторами горения (рис. 2.9).

44

Для стабилизации пламени инжекционнных и других горелок, выдающих осесимметричные газовоздушные струи, широко применяются огнеупорные цилиндрические туннели с внезапным расширением их сечений, в которых происходит воспламенение и горение смеси (рис. 2.9,а). Стабилизирующее действие такого туннеля основано на периферийной рециркуляции части раскаленных продуктов горения, возникающей за счет создаваемого струей разрежения. Это приводит к непрерывному тепломассообмену между раскаленными газами и втекающей в туннель холодной горючей смесью и ее зажиганию с периферии. Способствует стабилизации пламени и высокая температура стенок туннеля, более чем в 2 раза превышающая температуру самовоспламенения природного газа.

Рис. 2.9. Распространенные стабилизаторы горения:

а – цилиндрический туннель с внезапным расширением сечения; б – то же, при закрученном потоке; в – конический туннель при закрученном потоке;

г – стабилизатор в виде конического тела; д – то же, в виде круглого стержня; е – то же, в виде устойчивого кольцевого пламени; 1 – огневой насадок горелки; 2 – туннель; 3 – боковое отверстие; 4 – кольцевой канал; 5 – кольцевое пламя; 6 – пламя основного потока газовоздушной смеси

45

Наибольшая устойчивость пламени в отношении отрыва соответствует гомогенной смеси, близкой к стехиометрическому составу, и следующим размерам туннеля: Dт = 2,5 dк ; lт =( 2…2,5)Dт , где Dт – диаметр расширенной части туннеля; lт – длина расширенной части туннеля; dк – диаметр огневого канала горелки.

Опытные данные показывают, что при этих размерах не происходит присоса в туннель охлажденных газов из топки, могущих снизить устойчивость горения, а в продуктах сгорания, отбираемых на выходе из туннеля, не обнаруживается основного компонента природного газа – метана. Вместе с тем полного выгорания промежуточных соединений, преимущественно в виде оксида углерода и водорода, не происходит, оно завершается только при длине туннеля, равной (5…6)Dт .

Установлено также, что при указанных размерах тепловое напряжение туннеля может достигать 400 ГДж/м3 ч, температура 1600 °С, и что пламя стабилизируется при скорости вытекания из горелки холодной смеси до 200 м/с. Так как такая стабилизирующая способность огнеупорных туннелей превышает необходимую в практике длину туннелей в 10–20 раз, для увеличения срока их эксплуатации, облегчения изготовления и установки ее ограничивают толщиной кирпичной стены, но не менее lт = (1,5…2)Dт. В некоторых случаях сокращают и диаметр туннеля до Dт = (1,5…2)dк, но это приводит к некоторому увеличению его гидравлического сопротивления, снижению стабилизирующего действия и переносу выгорания из туннеля в топку не только промежуточных продуктов горения, но и значительной части метана. Применение туннелей с уменьшенными размерами допустимо только для горючих смесей, близких по составу к стехиометрическому. Для бедных и богатых смесей, в особенности приближающихся к нижнему или верхнему пределам воспламеняемости, а также для газов, забалластированных азотом или диоксидом углерода, этого делать не следует, так как может затруднить розжиг газовоздушной смеси и привести к срыву пламени при увеличении форсировки горелки. Нарушение устойчивости горения может происходить и за счет присоса в туннель внешнего воздуха, резко снижающего температуру рециркулирующих продуктов горения. Последнее явление наблюдается как при наличии неплотности между огневым каналом горелки и туннелем, так и при значительном разрежении в топке.

Для стабилизации пламени горелок, выдающих закрученную газовоздушную смесь, применяются как рассмотренные выше цилиндрические туннели, так и конические с углом раскрытия 30–60° (рис. 2.9, в). Стабилизирующее действие при закрученном потоке вызывается тем, что на периферии туннеля возникает большее давление, чем в его центральной части. Это приводит к приосевой рециркуляции части раскаленных продуктов горения и поджиганию втекающей в туннель холодной газовоздушной смеси изнутри. Так как закрутка струи приводит к резкому увели-

46

чению угла раскрытия потока, длину туннелей ограничивают толщиной кирпичной стены, на которой размещаются газовые горелки.

Втех случаях, когда установка туннелей невозможна или нецелесообразна, для стабилизации пламени применяют тела плохообтекаемой формы, размещаемые в потоке газовоздушной смеси на выходе её из огневого канала горелки (рис. 2.9, г, д). Воспламенение смеси при этом происходит на периферии стабилизатора, за которым возникает частичная рециркуляция раскаленных газов, поджигающих горючую смесь изнутри. Стабилизирующее действие таких устройств ниже, чем туннелей, и зависит от состава смеси, а также от конструкции и размеров стабилизатора. Так, конический стабилизатор диаметром 7 мм, установленный в трубке диаметром 18 мм, обеспечивает устойчивое горение стехиометрической метановоздушной смеси при скоростях вылета до 60 м/с, а при коэффициенте избытка воздуха α = 0,82 или 1,4 – только до 30 м/с.

Винжекционных одно- и многофакельных горелках широко используются стабилизаторы горения, образующие вспомогательное кольцевое пламя. Такой стабилизатор выполняется в виде специального огневого насадка горелки (рис. 2.9, е), в котором около 10 % газовоздушной смеси ответвляется через боковые отверстия в кольцевую полость, сечение которой значительно больше суммарной площади боковых отверстий. Стабилизирующее действие этого устройства основано на предотвращении разбавления основного потока в корне факела избыточным воздухом, сужающим пределы его устойчивости, а также на подогреве и поджигании кольцевым пламенем основного потока по всей его периферии. Устойчивость кольцевого пламени при отрыве достигается за счет такого соотношения сечений огневого кольца и боковых отверстий, при котором скорость газовоздушной смеси в кольцевой полости не превышает нормальной скорости распространения пламени. Для предотвращения проскока пламени в смеситель горелки размеры боковых отверстий, формирующих кольцевое пламя, принимаются меньшими критических.

2.10. Принципы сжигания

Организация процессов сжигания газа в потоке с воздухом основывается на различных принципах, предельными из которых являются кинетический и диффузионный.

При кинетическом принципе предварительно, до начала процесса горения, создается однородная горючая смесь, содержащая воздух в несколько большем количестве, чем требуется по стехиометрическим соотношениям. Сгорание такой смеси происходит в коротком жестком прозрачном факеле без видимых пиролитических процессов, приводящих к образованию в

47

пламени сажистых частиц. При этом горение может протекать при неограниченно высоком объемном теплонапряжении, без образования продуктов неполного сгорания. Обычно для сжигания газа по кинетическому принципу применяются специальные смесители или инжекционные горелки, подготавливающие гомогенную газовоздушную смесь с коэффициентомизбытка первичного воздуха α1 = 1,02…1,05. При меньшем содержании первичного воздуха по кинетическому принципу протекает только начальная стадия горения, до использования кислорода, находящегося в смеси с газом.

Оставшиеся газы и продукты неполного сгорания сжигают за счет диффузии кислорода извне (вторичного воздуха), т.е. по диффузионному принципу. Особенностью факела при α1 < 1 является наличие двух видимых фронтов горения: внутреннего, возникающего за счет первичного воздуха, и наружного, образующегося за счет диффузии кислорода из окружающей среды. Общая высота пламени при таком горении возрастает, а температура несколько снижается. Устойчивость пламени и его прозрачность зависят от содержания первичного воздуха в смеси. При этом, чем оно выше, тем ниже устойчивость пламени, больше его прозрачность, и наоборот.

Принцип сжигания газа с α1 < 1,0 является промежуточным (между кинетическим и диффузионным). С учетом этого принципа конструируются все газовые аппараты, оборудованные инжекционными горелками. В таких горелках содержание первичного воздуха в смеси принимается в зависимости от вида газа таким, чтобы в пламени отсутствовали сажистые частицы и чтобы обеспечивалась стабильность горения при изменении тепловой мощности в любых необходимых в практике пределах.

При диффузионном принципе (α1 = 0) процессы горения и смешения развиваются параллельно. Так как процессы смешения протекают значительно медленнее процессов горения, то скорость и полнота сгорания определяются скоростью и полнотой смешения газа и воздуха. Смешение газа с воздухом при этом может происходить путем диффузии либо медленной молекулярной, либо турбулентной, включающей в себя и молекулярную как конечную стадию. Соответственно этому различаются скорость горения и структура диффузионного пламени.

Особенностями такого сжигания являются высокая устойчивость пламени при изменении тепловой мощности от нуля до максимально возможных по условиям отрыва, сравнительное постоянство температур по всей высоте пламени, возможность распределения его по большим поверхностям любых форм, компактность горелок и простота их изготовления, а также значительная высота пламени и неизбежность пиролитических процессов, приводящих к образованию яркого светящегося сажистого пламени.

Диффузионное горение может быть переведено в кинетическое или промежуточное путем создания условий, при которых процессы смешения

48

несколько опережают процессы горения. В практике это может достигаться за счет дополнительного участка смешения: на горелках с принудительной подачей воздуха. Это приводит к образованию приближающейся к гомогенной газовоздушной смеси с α1 > 1,0, сгорающей в прозрачном факеле. Исследования показали, что такой способ является достаточно действенным для улучшения процесса смешения и снижения химической неполноты сгорания (химического недожога).

Перенос же процессов смешения и горения в топку может приводить к появлению продуктов неполного сгорания, в особенности в малогабаритных секционных и водотрубных экранированных топках котлов.

Для иллюстрации принципов сжигания на рис. 2.10, а приведена упрощенная схема свободного ламинарного факела, возникающего за счет взаимной молекулярной диффузии газа и воздуха. Анализ проб, отобранных из различных участков горящей струи, показал, что внутри конусного ядра 1 находится чистый газ, вытекающий из трубки при ламинарном режиме течения. В зоне 2 образуется смесь из газа и продуктов сгорания, а

взоне 3 – смесь из продуктов сгорания и воздуха. Граница 4 между зонами 2 и 3 представляет собой гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри – молекулы газа. Образовавшиеся во фронте пламени продукты сгорания частично диффундируют навстречу газу, интенсивно нагревая его в предпламенной зоне. Это приводит к пиролизу углеводородов и образованию сажистых частиц, придающих пламени яркую светимость.

Значительная интенсификация горения достигается за счет естественной и искусственной турбулизации смешивающихся потоков. На рис. 2.10, б показана упрощенная схема свободного турбулентного факела. В отличие от ламинарного, здесь нет четкого конусного фронта горения, он размыт и

втой или иной мере разрушен пульсациями на отдельные частицы. Анализ проб показал наличие ядра чистого газа 1, зоны сравнительно медленного горения 2 (с преобладающим содержанием в ней газа), размытой зоны наиболее интенсивного горения 3 с высоким содержанием продуктов сгорания и зоны горения 4 с преобладанием в ней воздуха. При этом четких границ между указанными зонами нет, они непрерывно смещаются в зависимости от степени турбулизации потока. Особенностями турбулентного факела (сравнительно с ламинарным) является протекание процесса горения почти по всему объему, повышение интенсивности горения, большая прозрачность пламени и меньшая его устойчивость по отношению к отрыву.

Сжигание газа по этому принципу широко используется в топках различных котлов и печей. При этом для интенсификации процесса горения применяют как естественную (за счет повышения скоростей), так и искус-

49

ственную турбулизацию потоков газового и в особенности воздушного потоков. Последнее наиболее часто достигается закруткой воздушного потока и выдачей в него под различными углами тонких струй газа.

Практикой сжигания газа в топках экранированных котлов и небольших нагревательных печей обычно не подтверждаются преимущества светящегося сажистого пламени перед прозрачным. Объясняется это следующим: повышение светимости в обычных условиях сжигания углеводородных газов связано с растянутостью процесса горения и, как следствие, с некоторым снижением температуры пламени. Количество же тепловой энергии, передаваемое излучением, повышается линейно с увеличением степени черноты излучающего тепла и пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени:

где ε – степень черноты; Со – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – абсолютная температура пламени.

Расчеты по этой формуле показывают, что увеличение степени черноты пламени в 1,7–2 раза не приводит к увеличению передачи теплоты излучением, если температура пламени при этом снижается на 10–20 %. Это же подтверждают экспериментальные исследования сжигания природного газа в водоохлаждаемых камерах, в результате чего суммарная теплоотдача прозрачного пламени превышает теплоотдачу светящегося пламени.

Исключение составляют только такие методы повышения степени черноты, которые не приводят к значительному снижению температуры пламени, например ввод в пламенную зону небольших количеств газообразных или жидких углеводородов, в особенности подвергшихся предварительному пиролизу. Наибольший эффект при этом достигается в высокотемпературных печах, работающих на нагретом в рекуператорах или регенераторах воздухе, в которых теплоотдача излучением является преобладающим видом теплообмена. Достоинство светящегося пламени для таких печей заключается и в том, что оно излучает тепловую энергию не селективно в пределах полос Н2О и СО2, а по всему спектру, включая и видимую область. Таким образом, выбор того или другого принципа сжигания газа зависит от местных условий и требований технологического процесса. При этом во всех случаях должно обеспечиваться полное сгорание газа, без сброса в окружающую среду значительного количества сажистых частиц, продуктов неполного сгорания и экологически вредных веществ.

50